Max-Planck-Forscher untersucht das Evolutionsmodell der Muller

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Max-Planck-Forscher untersucht das Evolutionsmodell
der Muller-Ratsche
Die Evolution hat vom Einzeller bis zum Säugetier immer komplexere Strukturen und stetig
verbesserte Anpassungen hervorgebracht. Das ist umso erstaunlicher, als die meisten
Genveränderungen ihrem Träger schaden. Vor allem in kleinen Populationen, die sich
ungeschlechtlich fortpflanzen und deren Gene daher nicht neu kombiniert werden, können
sich unvorteilhafte Mutationen anhäufen. In der Evolutionsbiologie wird ein solcher Prozess
als Muller-Ratsche oder Muller-Sperrklinke bezeichnet. Nach diesem Modell, das auf den
amerikanischen Genetiker Hermann Joseph Muller zurückgeht, verschlechtert sich das
Erbgut unumkehrbar, und die Populationen haben schlechte Überlebenschancen - also auch
Individuen ohne die negativen Mutationen sterben aus. Richard Neher vom Max-PlanckInstitut für Entwicklungsbiologie in Tübingen hat zusammen mit US-amerikanischen
Kollegen mathematisch dargestellt, wie eine Muller-Ratsche arbeitet und theoretisch
erforscht, warum Populationen trotz kontinuierlicher negativer Genveränderungen nicht
zwangsläufig aussterben.
Die allermeisten Mutationen oder Genveränderungen wirken sich nachteilig aus. "Über
Selektionsprozesse pflanzen sich jedoch die Individuen mit den günstigeren Genen
erfolgreicher fort, und negative Mutationen gehen wieder verloren", erklärt der
Populationsgenetiker Richard Neher, der eine eigenständige Max-Planck-Forschungsgruppe
am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen leitet. Anders sieht es aus, wenn
zum Beispiel eine Virenpopulation, die sich ungeschlechtlich fortpflanzt, zunächst in kleiner
Zahl einen Menschen infiziert. "Dann kann es allein durch Zufall, durch stochastische Prozesse,
passieren, dass sich negative Mutationen bei den Viren anhäufen und auch die Gruppe der
Individuen ohne solche Mutationen ausstirbt", sagt Richard Neher. Dann rastet die MullerRatsche ein, die Entwicklung ist nicht mehr umkehrbar – zumindest in Mullers Modell.
Muller hat sein Modell von der evolutionsbiologischen Ratsche 1964 veröffentlicht. Bisher war
unklar, über welche quantitativen Prozesse die Ratsche funktioniert. Dazu hat jetzt Richard
Neher zusammen mit Boris Shraiman von der University of California in Santa Barbara eine
neue theoretische Studie veröffentlicht. Sie arbeiteten mit einem vergleichsweise einfachen
Modell, bei dem alle Mutationen negativ sind und Auswirkungen gleichen Ausmaßes zeitigen.
Außerdem nahmen die Forscher an, dass die Selektion den Mutationen entgegenwirkt. Sie
analysierten, wie zufällige Fluktuationen unter den fittesten Individuen sich auf die weniger
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fitten sowie die ganze Population auswirken. Dabei haben Richard Neher und Boris Shraiman
festgestellt, dass der Schlüssel zur Funktion der Ratsche in einer langsamen Reaktion liegt:
Verringert sich die Zahl der fittesten Individuen, verringert sich die durchschnittliche Fitness der
Population erst mit Verzögerung. "Diese verzögerte Rückkoppelung beschleunigt die MullerRatsche", fasst Richard Neher die Ergebnisse zusammen. Sie rastet immer häufiger ein.
Gleichgewicht von Mutationen und Selektion: Eine Population lässt sich in Gruppen von Individuen aufteilen, die
verschieden viele negative Mutationen tragen. Durch Selektion wachsen die Gruppen mit wenigen Mutationen,
verlieren aber über neue Mutationen Mitglieder an die anderen Gruppen. Umgekehrt wachsen dadurch die Gruppen
mit vielen Mutationen, verlieren aber Mitglieder über die Selektion. © Richard Neher/MPI für Entwicklungsbiologie
"Unsere Ergebnisse gelten für eine breite Palette an Voraussetzungen und Werten, für eine
Virenpopulation genauso wie für eine Tigerpopulation." Er erwartet jedoch nicht, die
Verhältnisse des Modells eins zu eins in der Natur wiederzufinden. "Modelle dienen dazu, die
wesentlichen Aspekte zu verstehen, damit man weiß, welche Prozesse entscheidend sind",
erklärt er.
In einer zweiten Studie hat Richard Neher zusammen mit Boris Shraiman und weiteren USamerikanischen Forschern der University of California in Santa Barbara sowie der Harvard
University in Cambridge untersucht, wie selbst eine kleine Population, die sich ungeschlechtlich
fortpflanzt, der Muller-Ratsche entgehen könnte. "Eine solche Population kann längerfristig nur
stabil bleiben, wenn positiv wirkende Mutationen die negativen kontinuierlich ausgleichen",
sagt Richard Neher. Bei ihrem Modell sind die Forscher von einer gleich bleibenden Umwelt
ausgegangen sowie von der Annahme, dass sich bei jeder Population ein Gleichgewicht
zwischen Mutation und Selektion einstellen kann. Sie haben für verschiedene
Populationsgrößen und Mutationsraten berechnet, wie groß der Anteil positiver Mutationen
sein muss, um das Gleichgewicht aufrecht zu halten. Das überraschende Ergebnis: Selbst unter
widrigen Bedingungen reicht schon ein sehr kleiner Anteil im Bereich weniger Prozente
positiver Mutationen aus, um eine Population zu erhalten.
Über diese Ergebnisse ließe sich erklären, warum zum Beispiel die Mitochondrien, die
sogenannten Kraftwerke der Zelle, die ein eigenes Erbgut besitzen und sich ungeschlechtlich
teilen, über einen sehr langen Zeitraum in der Evolution erhalten geblieben sind. Insgesamt
wird die Evolution zu einem erheblichen Teil über zufallsabhängige Entwicklungen gesteuert
oder wie Richard Neher es ausdrückt: "Die evolutionäre Dynamik ist sehr stochastisch."
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Pressemitteilung
17.08.2012
Quelle: Max-Planck-Gesellschaft (10.08.2012)
Weitere Informationen
Dr. Richard Neher
Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Tübingen
Tel.: 0707/ 1601 - 1345
E-Mail: richard.neher(at)tuebingen.mpg.de
Max-Planck-Institut für
Entwicklungsbiologie
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